藻类——未来能源之光

藻类——未来能源之光
——藻类生物质能的开发与利用
王增涛陈启航孟晗廖汝俊王智杰唐皓轩常国庆
指导教师王如竹徐震源
摘要：本文论述了藻类作为可再生能源原料所具有的优势以及藻类能源的主要利用途径。

概述了国内外藻类能源的开发与利用现状，对藻类生物质能的发展提出展望和建议。

关键词：藻类可再生能源生物质能开发与利用
一、前言
随着全球经济的高速发展，人类对能源的需求量不断提高，而化石能源的短缺以及带来的环境问题让人们开始重视可再生能源的开发与利用。

藻类具有分布广、含油量高、生命力强等诸多优点，在能源的利用过程中还能有效地吸收二氧化碳，有利于环境。

因此，以藻类生物质能为代表的第三代生物质能具有广阔的发展前景。

二、藻类可再生能源的优势
2.1.藻类分布广泛、原料丰富
藻类的分布极广，除了海洋、湖泊、江河、溪流以外，藻类还能生长在短暂积水或潮湿的地带。

从热带到两极，从积雪的高山到温热的泉水，从潮湿的地面到略深的土壤，几乎都有藻类的分布。

这无疑为生物质能的提供了大量的原料，从而降低了能源开发的成本。

2.2.藻类的生命力强、生长周期短
藻类生长不需要特别的养分，只需要水、阳光与空气，因此可以生长在诸如沙漠、干旱地、半干旱地等极端条件的环境中，不会占用粮食耕地，减少了对粮食作物的影响，弥补了前面两代生物燃料会占用耕地的缺陷，同时也降低了培植
的成本。

而且，藻类的生长周期短，藻类是世界上生长最快的植物，如果条件合适，藻类体积一夜就可以加倍，与大豆玉米等作物按季节收获不同，藻类可以日复一日地收获，因此生产效率极高，为能源的开发与利用提供了充足的原料。

2.3.藻类的含油量高、热解油的利用价值高
微藻的含油量一般可达20%到50%，并且微藻油的成分与植物油相似，因此可以直接运用现有技术生产生物柴油［1］。

与此同时，藻类中的油脂、可溶性糖类以及蛋白质与木材中的木质素、纤维素不同，均为易热解的成分，因此藻类的热解条件相对较低，大大降低了热解技术的成本［2］。

除此之外，研究发现藻类的热解油的含氢量高于木材或农作物秸秆，含氧量相对较低，导致热解油的热值是普通木材或秸秆的1.5倍，能源的可利用性高。

热解油中还含有许多常规路线不易合成的物质，因此可以运用现有技术从中提取一些有工业价值或药用价值的有机物，如蛋白质、色素、酒精、动物饲料等。

2.4.环境友好
藻类生长可以吸收大量的二氧化碳气体与氮、磷等无机盐离子，因此可以起到净化空气与处理工业废水的作用。

这样既为能源的开发利用提供了必要的原料，又起到了保护环境的重要作用，这是其它能源技术所不具有的优点。

并且，能源利用过程中产生的温室气体又可以为藻类的生长提供养料，形成一种良性循环，一举多得。

制得的生物柴油具有无需添加硫和芳烃的潜在可能性，实现了能源的利用过程中污染最小化。

三、藻类能源的主要利用途径
3.1.生产燃料油
利用藻类生产燃料油主要有热解与直接液化两种方式。

3.1.1.热解
热解是指在高温条件下使生物质降解为气体、固体和液体等多种产物的过程，藻类含有的化学成分易被热解，技术成本低，同时因为藻类相对表面积大，
容易粉碎与干燥，降低了原料的预处理成本，这两点都是藻类作为第三代生物燃料的特有优势。

根据热解反应条件的不同又可以把热解分为快速热解与慢速热解。

快速热解的产物主要是生物油和可燃气体，转化率高，气体产物既可以作为燃料，又可以作为工业原料，固体产物可以直接作为燃料，液体产物即为热解油，具有很高的利用价值；慢速热解的产物为焦炭，副产物为植物油，但转化率较低，成本也相对较低。

3.1.2.直接液化
直接液化又称加压液化，是生物质在高压条件下的热转化过程，反应温度低于热解温度。

在液化过程中需要通入高压的还原性气体，而且需要溶剂甚至是催化剂，对生产设备有一定的要求，因此成本也随之提高，使用受到了限制。

但是对于一些含水量高的藻类来说，利用直接液化技术不需干燥过程，大大降低了预处理的成本，而且获得了热值高、利用率高的液体燃料。

因此，对藻类运用直接液化技术制取液体燃料是藻类未来能源利用的主要研究方向。

3.2.生物法制取氢气
利用微藻制取氢气主要有蓝藻固氮酶产氢和绿藻可逆产氢酶光水解产氢两种方式。

固氮产氢酶的产氢速率低，能源消耗大，因此目前主要集中在绿藻可逆产氢酶光水解产氢这一技术。

而这一技术又分为直接光水解和间接光水解两种方法，两种方法都必须在无氧的条件进行，因此直接光水解产生的氧气会抑制反应的进行；间接光水解可以在空间或时间上实现氧气和氢气的分离，但总的来说技术成本都比较高，因此还需要进一步的研究与突破才能实现生物法制氢的实用化。

3.3.制备生物乙醇
生物乙醇具有低毒、易降解以及燃烧后排放物污染小的特点，在未来发电、燃料电池以及混合动力系统中都具有重要作用。

而无论是大型藻类还是微藻都具有储存淀粉、纤维素等碳水化合物的能力，通过工程培养可获得大量的乙醇燃料制备的原料，再利用物理方法（超声波、机械剪切）或酶解法水解细胞壁得到藻类中的糖类，最后利用糖化或发酵技术获得乙醇燃料，并且某些藻类在黑暗条件
下可以直接自身发酵产生乙醇［3］。

因此以藻类作为原料生产生物乙醇燃料将成为藻类未来能源利用的重点研究方向。

四、藻类生物质能的发展现状
4.1.国内发展现状
我国在藻类基础研究方面具有很强的能力，并且在藻类的大规模养殖技术上处于世界先列。

在生物柴油渐趋流行的世界背景下，我国更多的企业和一些科研机构积极投入藻类能源的研究中，科研机构与企业之间精诚合作、互助共赢，为实现我国的藻类生物质能产业化注入了源源不断的动力。

例如，山东海洋工程研究院在实验室培育出了富油微藻，其含油量最高可达68%，并运用基因工程技术进行定向改造，无疑为能源原料的利用转化率的提高带来了福音；新奥科技发展有限公司申报的二氧化碳减排技术研究与开发课题利用热电厂、化工厂排放的二氧化碳等废气养殖微藻，提取藻类油脂用以制备生物柴油。

该项目以热电厂、化工厂等二氧化碳排放高的地方作为生产基地，实现了二氧化碳的就地吸收，生产可再生能源，同时也解决了环境污染问题，是藻类生物质能利用的优秀典例。

然而，由于较高的成本，国内藻类生物质能的产业化仍然处于起步阶段，为了消除这一成本“瓶颈”，还需要藻类基础研究、材料学、环境学等多个领域，多个学科的交叉集成、共同创新。

4.2.国外发展现状
美国早在80年代初就进行了可用于生产生物柴油的微藻资源的调查与筛选等基础研究，2007年以后微藻能源的开发成为了热点，而今已运用现代生物技
术开发出海洋工程微藻，实验室条件下可以使微藻的脂肪含量超过60%。

总部位于旧金山的Solazyme公司拥有独特的暗发酵技术，可以高效迅速地将大规模藻类转化为生物燃料，2010年，该公司为美国海军提供了超过2万加仑的燃料［4］；日本两家公司联合开发出利用微藻将二氧化碳转化为燃料乙醇的新技术，并在2010年研制出有关设备并采用催化热解技术，将微藻转化为高芳烃含量，高辛烷值的燃料油；2006年，英国政府全额出资的碳基金公司宣布投资2600英镑用来开发以藻类为原料的新一代生物燃料；2007年，荷兰Shell与美国的HR生物石油公司合资组建了Cellana公司，其将使用海洋浅塘和日光在十万公顷的地方培育水藻；西班牙BFS Biofuel System SL公司与Alicante大学合作，开发出独特的海藻培养专利技术，其产品不含硫，碳减排率20%［5］。

由此看来，在化石能源日趋紧张的大背景下，世界各国正加大对可再生能源的研究与开发，这其中藻类生物质能又备受青睐，藻类生物质能产业正在蓬勃发展。

五、藻类生物质能未来发展展望与建议
5.1.发展方向的展望
5.1.1.藻类生物质能的开发与利用同海洋污染的治理相结合
据调查研究表明，一些微藻具有降解某些有机物的作用，例如中肋骨条藻和菱形藻可同时富集和降解两种典型的ＰＡＨｓ［6］，在海洋污染形势日趋严峻的今天，我们可以利用藻类的降解作用来处理有机污染物。

一方面，有机物为藻类的生长繁殖提供了必要的养分，然后利用现有技术对藻类进行生物化学处理，从而制得燃料油、乙醇、氢气等重要能源；另一方面，藻类有效减少了海洋的有机物污染，保护了海洋生态环境，一举两得。

5.1.2.藻类生物质同食品医药行业相结合
藻类细胞内的油脂可以用于生产生物柴油，但是藻类还含有其它对人类有益的化学成分，如藻类色素、不饱和脂肪酸、藻类多糖及藻类蛋白质等，这些都是天然物质，对人体健康的损害极低。

因此我们可以将其利用到食品加工或者药物制取工艺，例如，将藻类色素用作食品添加剂；藻类蛋白质制取保健食品药品；
藻类多糖及脂肪酸进行药物的研发等，这无疑是当下公众担忧的食品药品安全问题的有效解决方法。

5.1.3.藻类生物质能开发与利用同园林景观相结合
一个优秀的景观园林不仅在于其赏心悦目的外观，更重要的是它的生态功能，附加价值。

而藻类作为一种植物，本身具有观赏性，因此在建造景观园林时，可以将藻类种植其中，定期进行收割和处理，用于制取生物质能，这样藻类在整个园林系统中除了装饰美化和生态功能外，更具有能源供给的重要价值，并且可以将相关技术推广到房地产行业，使得藻类生物质能利用的商业化更加成熟。

5.1.4.藻类生物质能与房屋建筑、智能家居相结合
一些巨型藻类体积庞大，可以将其种植在房屋表面的向阳处，使其在阳光照射下生长。

这样藻类首先能起到一定的美化作用，其次能对房屋起到庇护作用，使得室内达到冬暖夏凉的效果，最后茂盛的藻类可以进行定期收割，在房屋能源系统的处理下，转化为生物燃料，为智能家居提供可再生能源，使得整个房屋变得立体智能化。

5.2.对未来发展的建议
5.2.1.加大对藻类的筛选和改造方面的研究
尽管目前我国的藻类养殖技术已经达到世界先进水平，但是面对种类繁多的藻类，却很难高效地筛选出含油量高的目标产物，我们的监测方法还需要更加自动化，以满足快速、经济、高通量的监测要求。

同时在研究藻类代谢条件和代谢产物、生长规律等生理特点的基础上，利用基因工程技术定向改造藻类基因从而能够获得产油效率高的目的植株，降低能源原料成本。

5.2.2.藻类制氢的生物学技术有待突破
氢能源因为其燃烧产物的清洁性和循环性一直科研人员的重点研究方向，但藻类制氢却面临众多技术瓶颈，如氢化酶对氧气的敏感性问题，ATP的过量产生导致的调控问题，其它代谢途径在铁氧化还原蛋白处对光合还原剂的竞争问题等。

面对这些技术挑战，我们应当积极采取措施应对，例如利用工程手段改变氢
化酶对氧气的耐受能力，识别与光合还原剂竞争的代谢途径，并用生物酶抑制这些代谢途径，调控光合生物膜，减少ATP的生成［7］。

5.2.3.建立健全法规政策推动藻类能源商业化进程
目前国内藻类生物质能的商业化程度低主要的原因是相关政策不够完善。

政府应当出台一系列政策推动藻类生物燃料的商业化，例如对致力于藻类能源研究的企业提供优惠政策和资金支持，鼓励能源公司和科研机构之间的合作，共同推进藻类能源走向能源市场，并且逐步成为市场的主角。

六、结语
藻类生物质能作为新兴可再生能源具有广阔的发展前景，尤其是其对于二氧化碳的吸收与利用而具有的环保性更是极具发展潜力，对各国的能源发展都有极其重要的战略意义。

我国在藻类培养和选育领域上已经有了较为尖端的技术，但是对于藻类制油和综合利用技术上仍然需要更多的研究，能源技术的成本相比于化石燃料和其它可再生能源也仍旧处于较高水平，还有许多交叉领域的技术需要合作与提高。

与此同时，政府与民众对藻类能源产业的商业化重视程度也有待提高。

但是我们欣慰地看到藻类生物质能的开发与利用在国内和世界正在蓬勃发展，我们有理由相信：在不久的将来，藻类生物质能会成为新一代能源的主角之一，未来能源之光将普照世界各地，惠及整个人类。

参考文献
［1］于国柱藻类生物能源的开发与利用［J］石化技术，2010，17（4）：34-38
［2］邢定逢，张哲，张福琴，魏海国藻类热解生产生物质燃料研究进展［J］化学工业，2008，26（30）：38-42
［3］庞通，刘建国，林伟，刘倩藻类生物燃料乙醇制备的研究进展［J］渔业现代化，2012,39（5）：63-71
［4］顾永强，张吉平，潘跃明藻类生物燃料有望成为能源主角［N］中国石化报，2011年3月11日，008版
［5］Bio Fuel Systems[EB/OL]./wiki/Bio_Fuel_Systems. ［6］聂立伟，崔福义，马华藻类对有机污染物生物吸附的研究进展［J］环境工程，2012，30（增刊）：510-514
［7］张琪，刘淑丽，张立国，张英等藻类生物质能源关键技术分析［J］东北水利水电，2013,8:26-28。